人體下肢運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析與建模.pdf

1、研制下肢假肢是為了改善殘疾人的生活質(zhì)量和促進(jìn)醫(yī)療福利事業(yè)的發(fā)展，同時(shí)智能假肢也是機(jī)器人學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域深受關(guān)注的研究方向。智能下肢假肢通過(guò)檢測(cè)穿戴者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)控制假肢運(yùn)動(dòng)，從而提高步態(tài)的靈活性、協(xié)調(diào)性和安全性。我國(guó)下肢殘疾者人數(shù)眾多，國(guó)內(nèi)在智能下肢假肢的研究水平上也明顯落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，因此為肢體殘疾人提供性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的假肢器械是殘疾人事業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。
　　 人體下肢運(yùn)動(dòng)分析和建模是研究假肢的重要內(nèi)容，本文緊密

2、圍繞國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“膝上假肢的運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息獲取與多運(yùn)動(dòng)模式控制方法研究(60705010)”，主要做了以下幾個(gè)方面的工作：
　　 建立人體下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)信息獲取系統(tǒng)，利用表面電極獲取下肢運(yùn)動(dòng)肌電信號(hào)；利用多軸加速度傳感器來(lái)檢測(cè)大腿和小腿的傾角，獲取肢體的姿態(tài)以及膝關(guān)節(jié)角度和角速度；下肢的腳與地面之間接觸狀態(tài)和作用力等信息采用足底安裝壓力傳感器的方式檢測(cè)。
　　 根據(jù)人體的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，建立人體下肢運(yùn)動(dòng)數(shù)

3、學(xué)模型。比較動(dòng)力學(xué)建模中通常采用的拉格朗日法、牛頓-歐拉法等的優(yōu)缺點(diǎn)，選用拉格朗日建模方法，從系統(tǒng)能量角度出發(fā)構(gòu)建人體下肢的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到關(guān)節(jié)力矩。
　　 基于Matlab/SimMechanics仿真工具箱人體下肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)建模，選取了平地行走、上坡、上階梯三種不同的運(yùn)動(dòng)模式，每種運(yùn)動(dòng)模式下分為擺動(dòng)期和支撐期兩個(gè)階段，建立相應(yīng)的模型，以各關(guān)節(jié)的角位移、角速度、角加速度為輸入，仿真得到各種運(yùn)動(dòng)模式下髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)

4、節(jié)力矩。在平地行走模式下，將求解拉格朗日方程所得到的關(guān)節(jié)力矩與Matlab/SimMechanics建模仿真所得的力矩進(jìn)行比較，兩者基本吻合，證明了建立的模型比較合理。
　　 運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，首先應(yīng)用新閾值消噪方法對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行消噪處理，用平均值法提取特征向量，利用回歸分析的方法研究表面肌電信號(hào)與關(guān)節(jié)力矩之間的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，表明關(guān)節(jié)力矩與表面肌電信號(hào)近似成線性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上得出了關(guān)節(jié)力矩與表面肌電